(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクが収容される圧力室と、
前記圧力室に開口するノズルを有するノズル部材と、
少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が増加する第１の材料と、前記少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が減少する第２の材料と、を含み、前記圧力室の容積を変化させるアクチュエータと、
を具備したことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記アクチュエータの前記第１の材料は、前記第２の材料に固定されたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記アクチュエータの前記第２の材料は、無鉛圧電材料であるＫＮＮを含む圧電材料、チタン酸バリウムを含む圧電材料、またはリラクサー系圧電材料であるＰＭＮ、ＰＮＮ、もしくはＰＦＮをＰＺＴに固溶させた組成系であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載のインクジェットヘッドを具備することを特徴とするインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、インクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の装置は、電気を機械的仕事に変換するアクチュエータを備える。例えば、インクジェットヘッドにおいて、アクチュエータはインクが収容された圧力室の容積を変化させる。これにより、当該圧力室内のインクにかかる圧力が変化し、前記圧力室に開口するノズルから当該インクが吐出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００８／０２９５７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記アクチュエータは、高電圧駆動や高速動作をすることで発熱する。前記アクチュエータを形成する圧電材料は、温度によって圧電定数が変化する。このため、前記アクチュエータが発熱すると圧電材料の圧電定数が変化し、その挙動が不安定になるおそれがある。例えば、インクジェットヘッドでハーフトーン印刷を行う場合、各ノズルに対応するアクチュエータが温度上昇の影響を受けることで、「ゴースト」という濃度ムラが生じるおそれがある。
【０００５】
本発明の目的は、温度変化による特性の変化を抑制できるインクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの実施の形態に係るインクジェットヘッドは、圧力室と、ノズル部材と、アクチュエータとを備える。前記圧力室にインクが収容される。前記ノズル部材は、前記圧力室に開口するノズルを有する。前記アクチュエータは、少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が増加する第１の材料と、前記少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が減少する第２の材料と、を含み、前記圧力室の容積を変化させる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一つの実施形態に係るインクジェットプリンタを示す斜視図。
【図２】図１のＦ２−Ｆ２線に沿って示すインクジェットヘッドの断面図。
【図３】図２のＦ３−Ｆ３線に沿って示すインクジェットヘッドの断面図。
【図４】第１および第２の圧電体の温度特性を示すグラフ。
【図５】インク粘度の温度特性を示すグラフ。
【図６】インク吐出体積とインク粘度との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、一つの実施の形態について、図１から図６を参照して説明する。なお、本明細書において、複数の表現が可能な各要素について一つ以上の他の表現の例を付すことがあるが、これは他の表現が付されていない要素について異なる表現がされることを否定するものではないし、例示されていない他の表現がされることを制限するものでもない。
【０００９】
図１は、一つの実施の形態に係るインクジェットプリンタ１を示す斜視図である。図２は、図１のＦ２−Ｆ２線に沿って示すインクジェットヘッド１０の断面図である。図３は、図２のＦ３−Ｆ３線に沿って示すインクジェットヘッド１０の断面図である。
【００１０】
図１に示すように、インクジェットプリンタ１は、インクジェットヘッド１０を備えている。インクジェットプリンタ１は、インクジェット記録装置の一例である。インクジェット記録装置はこれに限らず、複写機のような他の装置であっても良い。
【００１１】
インクジェットヘッド１０は、いわゆるサイドシュータ型のシェアモードシェアウォール方式インクジェットヘッドである。インクジェットヘッド１０は、記録用紙のような印刷媒体に向かってインクを吐出し、文字や画像を形成する。
【００１２】
インクジェットヘッド１０は、ベースプレート１１と、ノズルプレート１２と、枠部材１３と、一対のアクチュエータ１４とを備えている。ノズルプレート１２は、ノズル部材の一例である。図２に示すように、インクジェットヘッド１０の内部に、インクが供給されるインク室１６が形成される。
【００１３】
さらに、インクジェットヘッド１０に、インクジェットヘッド１０を制御する複数の回路基板１７や、インクジェットヘッド１０とインクタンクとの間の経路の一部を形成するマニホールド１８のような、種々の部品が取り付けられる。
【００１４】
図１に示すように、ベースプレート１１は、例えばアルミナのようなセラミックスによって矩形の板状に形成されている。ベースプレート１１は、平坦な実装面２１を有している。実装面２１に、複数の供給孔２５と、複数の排出孔２６とが設けられている。
【００１５】
供給孔２５は、ベースプレート１１の中央部において、ベースプレート１１の長手方向に並んで設けられている。図２に示すように、供給孔２５は、マニホールド１８のインク供給部１８ａに連通している。供給孔２５は、インク供給部１８ａを介して前記インクタンクに接続されている。図２に矢印で示すように、前記インクタンクのインクは、供給孔２５からインク室１６に供給される。
【００１６】
図１に示すように、排出孔２６は、供給孔２５を挟むように二列に並んで設けられている。図２に示すように、排出孔２６は、マニホールド１８のインク排出部１８ｂに連通している。排出孔２６は、インク排出部１８ｂを介して前記インクタンクに接続されている。図２に矢印で示すように、インク室１６のインクは、排出孔２６から前記インクタンクに排出される。このように、インクは前記インクタンクとインク室１６との間で循環する。
【００１７】
図１に示すように、ノズルプレート１２は、例えばポリイミド製の矩形のフィルムによって形成されている。ノズルプレート１２は、ベースプレート１１の実装面２１に対向している。
【００１８】
ノズルプレート１２に、複数のノズル２８が設けられている。複数のノズル２８は、ノズルプレート１２の長手方向に沿って二列に並んでいる。ノズル２８は、実装面２１の供給孔２５と排出孔２６との間の部分に対向している。
【００１９】
枠部材１３は、例えばニッケル合金によって矩形の枠状に形成されている。枠部材１３は、ベースプレート１１の実装面２１とノズルプレート１２との間に介在している。枠部材１３は、実装面２１とノズルプレート１２とにそれぞれ接着されている。すなわち、ノズルプレート１２は、枠部材１３を介してベースプレート１１に取り付けられている。
【００２０】
図２に示すように、インク室１６は、ベースプレート１１と、ノズルプレート１２と、枠部材１３とに囲まれて形成されている。すなわち、インク室１６は、ベースプレート１１とノズルプレート１２との間に形成されている。
【００２１】
図３に示すように、アクチュエータ１４は、板状の第１の圧電体３１および第２の圧電体３２によってそれぞれ形成されている。第１の圧電体３１は、第１の材料の一例である。第２の圧電体３２は、第２の材料の一例である。第１および第２の圧電体３１，３２は、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされている。言い換えると、第２の圧電体３２は、第１の圧電体３１に固定されている。
【００２２】
アクチュエータ１４は、ベースプレート１１の実装面２１に接着されている。アクチュエータ１４は、例えば熱硬化性を有するエポキシ系接着剤によって実装面２１に接着される。アクチュエータ１４の頂部は、ノズルプレート１２に接着されている。
【００２３】
図１に示すように、一対のアクチュエータ１４は、二列に並ぶノズル２８に対応して、インク室１６の中に平行に並んで配置されている。図２に示すように、アクチュエータ１４は、インク室１６を、供給孔２５が開口する部屋と、排出孔２６が開口する二つの部屋とに区切る。
【００２４】
アクチュエータ１４は、断面を台形状に形成されている。アクチュエータ１４に、複数の圧力室３４が設けられている。圧力室３４は、アクチュエータ１４に形成され、インク室１６に開口する溝である。図３に示すように、複数の圧力室３４の間に、側壁３５がそれぞれ形成されている。複数の側壁３５は、複数の圧力室３４の間をそれぞれ隔てている。
【００２５】
圧力室３４は、アクチュエータ１４の長手方向と交差する方向にそれぞれ延びており、アクチュエータ１４の長手方向に並んでいる。複数の圧力室３４は、ノズルプレート１２の複数のノズル２８に対応して設けられている。このため、圧力室３４に、ノズル２８がそれぞれ開口している。
【００２６】
図２に示すように、複数の圧力室３４に、電極３７がそれぞれ設けられている。電極３７は、例えばめっき法などによるニッケル薄膜によって形成されている。電極３７は、圧力室３４の内面を覆っている。
【００２７】
図１に示すように、ベースプレート１１の実装面２１からアクチュエータ１４に亘って、複数の配線パターン３９が設けられている。配線パターン３９は、例えばめっき法などによるニッケル薄膜によって形成されている。配線パターン３９は、アクチュエータ１４の圧力室３４に形成された電極３７から、実装面２１の側端部までそれぞれ延びている。
【００２８】
回路基板１７は、フィルム５１とIＣ５２から構成されている。フィルム５１はフィルムキャリアパッケージ（ＦＣＰ）あるいはテープキャリアパッケージ（ＴＣＰ）と呼ばれ、複数の配線が形成されるとともに柔軟性を有する樹脂製のフィルムからなる。IＣ５２は、テープオートメーテッドボンディング（ＴＡＢ）方式によりフィルム５１に形成された複数の配線に接続されている。ＩＣ５２は、例えば封止樹脂によってフィルム５１に固定されている。
【００２９】
フィルム５１の端部は、異方性導電性フィルム（ＡＣＦ）によって、配線パターン３９に熱圧着接続されている。これにより、フィルム５１の前記複数の配線は、配線パターン３９に電気的に接続される。フィルム５１が配線パターン３９に接続されることで、ＩＣ５２が、フィルム５１の前記配線を介して電極３７に電気的に接続される。
【００３０】
インクジェットヘッド１０は、次のようにインクを吐出する。図２に示すように、前記インクタンクのインクが、マニホールド１８のインク供給部１８ａを通って、供給孔２５からインク室１６に供給される。
【００３１】
インク室１６に供給されたインクは、アクチュエータ１４の複数の圧力室３４に供給される。言い換えると、圧力室３４に、インクが収容される。
【００３２】
インクジェットプリンタ１の制御部から入力された信号に基き、ＩＣ５２がフィルム５１の前記配線を介して圧力室３４の電極３７に駆動電圧を印加する。これにより、図３に示すように、一つの圧力室３４の電極３７と、隣接する圧力室３４の電極３７との間に電位差が生じ、側壁３５がシェアモード変形する。
【００３３】
側壁３５がシェアモード変形することにより、当該電極３７が設けられた圧力室３４の容積が変化する。これにより、圧力室３４の中のインクが加圧され、ノズル２８から吐出される。
【００３４】
吐出されずに残ったインクは、圧力室３４を通過して、排出孔２６から流出する。当該インクは、マニホールド１８のインク排出部１８ｂを通って前記インクタンクに排出される。
【００３５】
図４ないし図６を参照して、上述のアクチュエータ１４について詳しく説明する。図４は、第１および第２の圧電体の温度特性を示すグラフである。図５は、インク粘度の温度特性を示すグラフである。図６は、インク吐出体積とインク粘度との関係を示すグラフである。
【００３６】
第１の圧電体３１は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成されている。図４の実線は、第１の圧電体３１の温度特性を示している。図４に示すように、第１の圧電体３１は、少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が増加する。当該圧電定数は、印加する電界に応じて圧電材料が変形するひずみ率を示す値である。言い換えると、第１の圧電体３１は、高温時の方が低温時よりも変形しやすい。前記少なくとも一部の温度帯は、例えば２５［℃］から１００［℃］までの間である。なお、当該少なくとも一部の温度帯はこれに限らない。
【００３７】
第１の圧電体３１はＰＺＴに限らず、温度上昇に伴って圧電定数が増加するような他の材料によって形成されても良い。例えば、チタン酸鉛（ＰＴＯ）、ＰＭＮＴ、またはＰＺＮＴのような材料によって、第１の圧電体３１は形成されても良い。
【００３８】
第２の圧電体３２は、例えば水熱合成法で作製したナノ粒子の無鉛圧電材料であるＫＮＮ（ＫＮｂＯ３とＮａＮｂＯ３の化合物）、または当該ＫＮＮにＬｉやＳｂ等を添加した複合組成によって形成される。図４の破線は、第２の圧電体３２の温度特性を示している。図４に示すように、第２の圧電体３２は、前記少なくとも一部の温度帯において温度上昇に伴って圧電定数が減少する。言い換えると、第２の圧電体３２は、高温時の方が低温時よりも変形しにくい。
【００３９】
第２の圧電体３２はＫＮＮに限らず、温度上昇に伴って圧電定数が減少するような他の材料によって形成されても良い。例えば、固相法で作製した無鉛圧電材料であるＫＮＮ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）系圧電材料、またはリラクサー系圧電材料であるＰＭＮ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）、ＰＮＮ（Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３）もしくはＰＦＮ（Ｐｂ（Ｆｅ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３）等をＰＺＴに固溶させた組成系のような材料によって、第２の圧電体３２は形成されても良い。
【００４０】
第１の圧電体３１は、ベースプレート１１の実装面２１に面している。一方、第２の圧電体３２は、ノズルプレート１２に面している。なお、第１および第２の圧電体３１，３２の位置は逆であっても良い。
【００４１】
図５に示すように、温度が上昇するに従ってインクの粘度は低下する。図６に示すように、インクの粘度が低下すると、同じ圧力をかけられた場合において、インクの吐出体積は増加する。
【００４２】
上記のように、インクに同じ圧力をかける場合において、インクの吐出体積は温度が上昇するに従って増大する。これに対応して、第１の圧電体３１と第２の圧電体３２との大きさおよび材料のような諸条件が選択される。
【００４３】
例えば、それぞれの側壁３５において、ＫＮＮによって形成された第２の圧電体３２の割合は、ＰＺＴによって形成された第１の圧電体３１の割合より大きい。これにより、温度上昇に伴って、側壁３５全体の変形量は小さくなる。ただし、側壁３５の圧電定数の変化は、第２の圧電体３２の圧電定数の変化よりも緩やかである。
【００４４】
図３を参照して具体的に説明する。まず、例えばアクチュエータ１４の温度が２５［℃］である場合について述べる。温度が低い場合、図３の矢印に示すように、同じ電圧に対する第１の圧電体３１の変形量は比較的小さく、第２の圧電体３２の変形量は比較的大きい。このため、側壁３５全体の変形量は、第１の圧電体３１の変形量よりも大きく、且つ、第２の圧電体３２の変形量よりも小さくなる。
【００４５】
次に、例えばアクチュエータ１４の温度が１００［℃］である場合について述べる。温度が高い場合、図３の矢印とは逆に、同じ電圧に対する第１の圧電体３１の変形量は比較的大きく、第２の圧電体３２の変形量は比較的小さい。このため、側壁３５全体の変形量は、第２の圧電体３２の変形量よりも大きく、且つ、第１の圧電体３１の変形量よりも小さくなる。
【００４６】
１００［℃］における側壁３５全体の圧電定数および変形量は、２５［℃］における側壁３５全体の圧電定数および変形量よりも小さい。２５［℃］から１００［℃］までの側壁３５全体の圧電定数の低下は、２５［℃］から１００［℃］までの第２の圧電体３２の圧電定数の低下よりも小さいである。言い換えると、温度上昇に伴うアクチュエータ１４の圧電定数の変化は、第２の圧電体３２の圧電定数の変化よりも緩やかである。
【００４７】
上述のように、温度上昇に伴ってアクチュエータ１４の変形量が小さくなる。このため、温度が上昇すると、同じ電圧をかけられた場合において、インクにかけられる圧力は減少する。一方で、温度上昇に伴ってインクの粘度は下がる。したがって、温度変化に伴うアクチュエータ１４およびインクの特性変化が相殺され、温度変化にかかわらず、駆動電圧に対するインクの吐出体積が一定になる。
【００４８】
前記構成のインクジェットヘッド１０によれば、アクチュエータ１４は、第１の圧電体３１と第２の圧電体３２とを含む。第１の圧電体３１は、少なくとも一部の温度帯において、温度上昇に伴って圧電定数が増加する。一方、第２の圧電体３２は、当該少なくとも一部の温度帯において、温度上昇に伴って圧電定数が減少する。これにより、温度変化によるアクチュエータ１４全体の特性の変化を抑制できる。
【００４９】
さらに、アクチュエータ１４全体の圧電定数が温度上昇に伴って低下することにより、温度上昇に伴うインクの特性変化が相殺される。これにより、温度変化にかかわらず、駆動電圧に対するインクの吐出体積が一定になる。アクチュエータ１４が第１の圧電体３１と第２の圧電体３２とを含むことによって、アクチュエータ１４の圧電特性を、インクの特性変化を相殺するように調整しやすくなる。言い換えると、第１の圧電体３１と第２の圧電体３２との大きさ及び材料を変更することで、アクチュエータ１４の圧電特性を最適化できる。
【００５０】
アクチュエータ１４の第２の圧電体３２は、第１の圧電体３１に固定されている。このように、第１の圧電体３１に第２の圧電体３２を取り付けることで、アクチュエータ１４全体の圧電特性を調整できる。
【００５１】
第２の圧電体３２は、ＫＮＮによって形成されている。ＫＮＮは、良好な圧電特性を有している。すなわち、ＫＮＮの圧電定数は、室温度付近では高く、温度上昇に伴って大きく、且つ一次関数的に減少する。
【００５２】
以上述べた少なくとも一つのインクジェットヘッドによれば、アクチュエータは、第１および第２の材料を含む。第１の材料は、少なくとも一部の温度帯において、温度上昇に伴って圧電定数が増加する。第２の材料は、当該少なくとも一部の温度帯において、温度上昇に伴って圧電定数が減少する。これにより、アクチュエータ全体の温度変化による特性の変化を抑制できる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【００５４】
例えば、インクジェットヘッドは、上記実施形態のようなシェアモード式に限らず、ベントモード式や、プッシュモード式のような他の形式であっても良い。また、アクチュエータは、インクジェットヘッドに用いられるアクチュエータに限らず、自動車のような種々の装置に用いられるアクチュエータであっても良い。さらに、アクチュエータは、第１の材料と第２の材料とが混合されて単一の部材によって形成されても良い。
【符号の説明】
【００５５】
１…インクジェットプリンタ、１０…インクジェットヘッド、１２…ノズルプレート、１４…アクチュエータ、２８…ノズル、３１…第１の圧電体、３２…第２の圧電体、３４…圧力室。
【図１】
0005619103.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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